轨道车辆异形支架的模拟仿真与优化研究

近年来，在设计设备安装支架时，多是根据经验进行外形设计和强度及刚度的判断，这就容易出现两个问题：

（1）设备支架安装位置不同，需要进行不同的考量。比如，直接安装在车体上的设备与间接安装在车体上的设备其振动和冲击是不同的，需要慎重考虑。但是可能由于设计经验的匮乏，导致忽略此项要求[1]。

（2）当安装的设备重量较轻时，安装支架设计容易简单化，一味的考虑支架轻量化，导致支架强度及刚度的不足[2]。

本文以某项目的一个支架为例，对其进行详细的分析研究，探究出问题的关键所在。期望在以后的设计中能够对类似的轨道车辆车下异形支架结构的设计起到一定的指导作用。

1 发现问题

某项目的设备安装异形支架运营两年后，焊缝处出现裂纹。经过普查，出现裂纹的地方均在支架的焊缝处，初步分析发生此问题的原因有两个，一是设计问题，结构设计不合理，支架强度或者刚度不足；二是工艺问题，焊缝质量不合格。

2 问题分析

2.1 支架情况介绍

该支架安装在分线箱上，分线箱安装在车体底架上，因此，该支架是间接安装在车体上的。支架上安装的设备重量很轻，仅有2kg。设计时，选择了重量较轻的铝合金材料3-5754 H111，板厚为3mm。该支架结构为整块铝板激光切割后折弯成型，为了减轻重量，在支架上切了较大的减重孔。同时，为了增加刚度，在翻边对接处增加了焊缝。

2.2 设计问题分析

建立支架的三维有限元模型，对其进行静强度和疲劳寿命分析，判断支架结构设计是否合理，能否满足强度和疲劳寿命要求[3]。

2.2.1 有限元静强度和刚度分析

对该支架进行静载受力分析，发现在支架的焊缝处静载应力最大，约为57Mpa，小于铝合金的屈服强度80Mpa，所以该支架的静强度是满足要求的。

对该支架按照IEC 61373的1类B级标准进行振动模拟，支架的刚度较弱，对角线方向没有支撑导致该方向的菱形变形较大，从而导致焊缝部位的应力相对集中。

2.2.2 有限元疲劳寿命分析

假设该支架的焊缝为全熔透状态，通过疲劳寿命分析，结果所示，其寿命为13673.2s（=3.798h），略小于IEC 61373标准要求的18000s（=5h）。假设该支架的焊缝为未全熔透状态，通过疲劳寿命分析，结果所示，其寿命为1095.6s（=0.3h），远小于标准要求的18000s（=5h）[4]。

从疲劳寿命仿真结果可知，在焊缝完全熔透情况下，虽然支架在理论上没有满足IEC 61373标准中关于长寿命的要求，但不会运行2年就出现裂纹。因此，疲劳强度不是导致支架焊缝处开裂的主要原因，而焊缝未完全熔透则会对疲劳寿命造成很大的影响。

综上，刚度的不足导致了局部焊缝区域的应力集中，以及焊缝处的焊接缺欠，可能是促使焊缝快速产生裂纹的主要原因。

2.3 工艺分析

对该支架的焊缝进行普查，发现焊缝成型差异较大。在焊接结构中，焊缝余高、打磨状态、是否熔透，都会影响零件的疲劳寿命，也有可能促进低应力状态下疲劳裂纹的产生。将出现裂纹的支架取回进行焊缝分析。将焊缝裂纹处切开观察，发现内部有空腔，存在未熔透现象。

3 解决方案

由上文分析得出，该支架存在三个问题：

（1）支架的疲劳寿命不满足IEC 61373标准的要求。

（2）支架的刚度不足，导致焊缝区域的应力相对集中。

（3）支架焊缝处未熔透，直接导致裂纹的产生。

决定在原支架基础上优化，增加支架的刚度，改善应力集中现象。优化方案为在原支架上现配4个铆钉孔，增加一块支撑板结构，改善对角线上无支撑的弊端。

为了确保优化后的支架满足疲劳寿命的使用要求，对优化后的支架按照焊缝未全熔透的状态，再重新进行疲劳寿命分析。结果如下：X方向疲劳寿命为125499304s（ ），远高于标准5h的要求。Y方向疲劳寿命为4690097664s（ ），远高于标准5h的要求。Z方向疲劳寿命见为159257s（ ），也高于标准5h的要求。

根据上述分析，确定最终解决方案为：

（1）在所有支架上现配4个铆钉孔，增加件号3支撑板以提高其刚度，减少焊缝处的应力集中现象。

（2）普查所有支架，对已经产生裂纹的支架进行打磨、修补、喷漆等修复处理。

4 验证

按照上述方案更改的支架，已重新上线运营5年，没有再出现过裂纹。今后的运营里程我们将持续跟踪。

5 总结与展望

本文通过一种实际应用案例的分析、优化、研究，总结出以下几点，希望能为后续类似的支架结构设计，提供一种思路和方向的参考。

（1）慎重确定支架在车辆上的安装位置。如果有相同的支架安装在不同的位置，需要重新考虑支架的强度、刚度及疲劳寿命是否满足要求。

（2）即使支架上安装的设备很轻，也不能掉以轻心，慎重进行材料选择和轻量化设计。

（3）焊接结构的设计。焊接接头设计要合理，避免过短的焊缝，以免产生结构应力。还应考虑焊接接头会造成材料本身疲劳强度的降低，而我们通常也以焊接接头的疲劳寿命作为焊接结构的疲劳寿命[5]。

（4）设计结构的验证。设计完成后，应该通过有限元分析软件进行模拟仿真，或者通过冲击振动试验验证支架的可靠性。

（5）焊接工艺的检验。焊接完成后应由有资质的人员进行外观检查和无损探伤，避免裂纹、孔穴、固体夹杂、未融合及未焊透、形状和尺寸不良、其他缺欠这六类缺欠的发生[6]。

参考文献：

[1] 姜君，杨海前，高福来，等. 实施国家标准《轨道交通 机车车辆设备冲击和振动试验》的探讨[J]. 铁道技术监督，2019，47（11）：11-15.

[2] 张磊，徐帅康，陈洁，等. 列车车体轻量化设计研究进展[J]. 机械工程学报，2023，59（24）：177-196.

[3] 关炳奇. 利用有限元技术优化支架设计并应用[J]. 金属加工（冷加工），2021，（4）：84-86.

[4] 李佳睿，陈姝枚，刘余龙，等. 基于 IEC 61373 的转向架支架强度分析及结构优化[J]. 电力机车与城轨车辆，2023，46（3）：88-93.

[5] 方吉. 预测轨道车辆焊接结构振动疲劳寿命的新方法研究与应用[D].大连：大连交通大学，2019.17-27.

[6] 王日艺，刘晓军，刘猛，等. 轨道交通用焊接产品典型失效案列分析[J]. 轨道交通材料，2024，3（2）：65-70.